CN110631528A - 水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置，水轮发电机组包括镜板，推力轴承包括多个推力瓦以用于向上支撑镜板，油膜厚度监测装置包括距离检测装置，安装于推力瓦，以检测其感应端与镜板底面在机组处于停机和运行两种状态时的距离L₀和L₁；应变检测装置安装于推力瓦，以检测在机组从停机状态切换至运行状态过程中，或在运行状态中工况改变时，推力瓦在推力轴承轴向方向形变量S，且定义S拉伸形变为正值，压缩形变为负值；数据采集和调理装置与距离检测装置和应变检测装置通信，以采集、调理检测信号形成检测数据；数据处理装置接收检测数据，并根据以下公式计算出推力瓦顶面与镜板底面之间的油膜厚度f，f＝L₁‑L₀‑S。

Description

水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置

技术领域

本发明涉及水力发电技术领域，特别是涉及一种水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置。

背景技术

水轮发电机组推力轴承的健康状况和性能优劣直接影响机组的运行安全和性能。推力轴承承载了发电机旋转部件重量和水轮机轴向水推力等轴向负荷，具体由推力轴承的推力瓦用于向上支撑发电机的镜板。在机组停机时，推力瓦顶面与镜板底面直接接触，距离为零。机组运行时，推力瓦顶面与镜板底面之间充入润滑油，形成油膜。油膜厚度是表征推力轴承运行健康状况的重要参数。并且其变化快速，能直观反映出推力瓦的运行姿态，非常有必要对其进行实时监测。

理论上，可采用电阻法、电容法、光纤法、电涡流法等方式，通过测量机组停机和运行时推力瓦相对镜板的位移变化，获得油膜厚度。但是，在水电站现场采用上述方式测量真实机组的油膜厚度时，却常常出现停机时油膜厚度不为零等等明显不准确数据，使得油膜厚度的监测工作难以进行。

因此，如何在水电站现场对推力轴承油膜厚度进行准确地实时监测，成为业内亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的一个目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置，以便在水电站现场对推力轴承的油膜厚度进行准确地实时监测。

本发明的进一步的目的是要提供一种能够获取推力瓦顶面任意位置油膜厚度的油膜厚度监测装置。

特别地，本发明提供了一种水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置，水轮发电机组包括镜板，推力轴承包括多个推力瓦以用于向上支撑镜板，油膜厚度监测装置包括：距离检测装置，安装于推力瓦，配置成检测距离检测装置感应端与镜板底面在水轮发电机组处于停机和运行两种状态时的距离L₀和L₁；应变检测装置，安装于推力瓦，配置成检测在水轮发电机组从停机状态切换至运行状态过程中，或在运行状态中工况改变时，推力瓦在推力轴承轴向方向的形变量S，且定义S在推力瓦产生拉伸形变时为正值，产生压缩形变时为负值；数据采集和调理装置，与距离检测装置和应变检测装置以预设方式通信，以采集、调理其检测信号，形成检测数据；和数据处理装置，与数据采集和调理装置以预设方式通信，以接收检测数据，并根据以下公式计算出推力瓦顶面与镜板底面之间的油膜厚度f，

f＝L₁-L₀-S。

可选地，推力瓦为由顶面、底面、同心的长圆弧端面和短圆弧端面、第一直线端面和第二直线端面构成的扇环状；距离检测装置的数量为多个，分别用于安装在第一直线端面和第二直线端面上，以形成多个测点；且应变检测装置的数量为多个，且与多个距离检测装置一一匹配地设置在其邻近位置。

可选地，第一直线端面上的多个距离检测装置沿第一直线端面的长度方向排列；第二直线端面上的多个距离检测装置沿第二直线端面的长度方向排列。

可选地，数据处理装置配置成根据在第一直线端面的每个测点所测算的油膜厚度f_1i，每个测点到短圆弧端面的径向距离r_1i，和第一直线端面上的测点总数m，通过以下公式计算第一直线端面顶边距短圆弧端面的径向距离为r的点的油膜厚度f_1r，

可选地，数据处理装置配置成根据在第二直线端面的每个测点所测算的油膜厚度f_2j，每个测点到短圆弧端面的径向距离r_2j，和第二直线端面上的测点总数n，通过以下公式计算第二直线端面顶边距短圆弧端面的径向距离为r的点的油膜厚度f_2r：

可选地，数据处理装置配置成根据以下公式计算推力瓦顶面的距短圆弧端面径向距离为r的点的油膜厚度f_x：

式中，f_1r和f_2r分别为第一直线端面和第二直线端面的顶边距短圆弧端面径向距离为r的点的油膜厚度，θ为该点与短圆弧端面圆心的连线与第一直线端面的夹角，α为短圆弧端面的圆心角。

可选地，水轮发电机组配置成使润滑油从第一直线端面顶边处进入推力瓦顶面与镜板底面之间，再从第二直线端面顶边处流出。

可选地，距离检测装置为电涡流传感器。

可选地，应变检测装置包括应变片，其用于贴附在推力瓦表面。

本发明的水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置，利用距离检测装置检测其感应端与镜板底面在水轮发电机组处于停机时的距离L₀，以及感应端与镜板底面在水轮发电机组处于运行状态时的距离L₁。L₁-L₀即水轮发电机组从停机状态切换到运行状态这一过程中，推力瓦和镜板相互远离运动产生的距离。此外，油膜厚度检测装置还利用应变检测装置检测在水轮发电机组从停机状态切换至运行状态的过程中，或在运行状态中工况改变时，推力瓦在推力轴承轴向方向的形变量S(以拉伸为正，压缩为负)。最后，利用推力瓦和镜板相互远离运动产生的距离减去形变量S，其结果等于水轮发电机组运行时推力瓦顶面与镜板底面之间的距离，即油膜厚度。

本发明的油膜厚度监测装置，考虑到真实的水轮发电机组运行时推力瓦会产生形变这一现实因素，使得所获取的油膜厚度值更加准确。这就使得该油膜厚度监测装置能够在水电站现场对推力轴承的油膜厚度进行准确地实时监测，而不仅仅适用于理论计算和模拟试验。

进一步地，本发明的油膜厚度监测装置中，仅需在推力瓦的第一直线端面和第二直线端面各布置多个距离检测装置和应变检测装置，即可精确计算出两个直线端面顶边任一点的油膜厚度，然后进一步据此计算出推力瓦顶面任一点的油膜厚度，以获得油膜的整体厚度分布情况，这非常利于对推力轴承的健康状况进行全面、准确地分析。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是水轮发电机组中推力轴承与镜板的分解示意图；

图2是本发明一个实施例的水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置的示意性方框图；

图3是示意了距离检测装置和应变检测装置分布位置的推力轴承俯视图；

图4是推力轴承在水轮发电机组处于停机状态下的侧视图；

图5是推力轴承在水轮发电机组处于运行状态下的侧视图；

图6是推力瓦顶面各点油膜厚度的计算原理图。

具体实施方式

图1是水轮发电机组中推力轴承与镜板的分解示意图。本发明实施例提供了一种水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置10。水轮发电机组包括发电机，发电机包括镜板20。镜板20下方设置有一推力轴承30，推力轴承30用于支撑镜板20，并通过镜板20承载水轮发电机组旋转部件的重量和水轮机轴向水推力等轴向负荷。

例如图1，推力轴承30具有沿周向均布的多个推力瓦31，每个推力瓦31安装于一个托瓦32之上，每个托瓦32下部安装有支柱螺栓33，以连接于其他支撑结构。多个推力瓦31共同支撑一个环状的镜板20。推力轴承30和镜板20以及水轮发电机组的结构是本领域技术人员所熟知的，在此不作赘述。

在水轮发电机组停机时，推力瓦31顶面315与镜板20底面直接接触，距离为零。水轮发电机组运行时，推力瓦31顶面315与镜板20底面之间出现间隙，间隙内充入润滑油，形成具有厚度的油膜。

图2是本发明一个实施例的水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置的示意性方框图，图3是示意了距离检测装置和应变检测装置分布位置的推力轴承俯视图；图4是推力轴承在水轮发电机组处于停机状态下的侧视图；图5是推力轴承在水轮发电机组处于运行状态下的侧视图。

如图2所示，油膜厚度监测装置10一般性地可包括距离检测装置11、应变检测装置12、数据采集和调理装置13以及数据处理装置14。

如图3至图4所示，距离检测装置11安装于推力瓦31，配置成检测距离检测装置11的感应端113与镜板20底面在水轮发电机组处于停机和运行两种状态时的距离L₀和L₁。距离检测装置11可为电涡流传感器，具体可选用德国B&K公司生产的DS821系列电涡流传感器。

应变检测装置12安装于推力瓦31，配置成检测在水轮发电机组从停机状态切换至运行状态过程中，或在运行状态中工况改变时，推力瓦31在推力轴承30轴向方向的形变量S，且定义S在推力瓦31产生拉伸形变时为正值，产生压缩形变时为负值。应变检测装置12可包括应变片，其用于贴附在推力瓦31的表面。具体可选用日本KYOWA公司生产的KFW-5-120-C1系列产品。

数据采集和调理装置13与距离检测装置11和应变检测装置12以预设方式通信，以采集、调理距离检测装置11和应变检测装置12所生成的检测信号，形成检测数据。数据采集和调理装置13通过以太网口采集检测信号，调理后输入采集模块，供数据处理装置14读取和分析。数据采集和调理装置13可包括传感器前端供电模块、传感器模拟信号输入模块和数据采集模块。例如，数据采集和调理装置13可选用美国NI公司生产的NI9205、NI9235型号产品。

数据处理装置14与数据采集和调理装置13以预设方式通信，以接收其检测数据。并且，根据以下公式计算出推力瓦31顶面315与镜板20底面之间的油膜厚度f：

f＝L₁-L₀-S。

数据处理装置14安装有根据预设程序，该预设程序根据上述的公式计算出油膜厚度f，并输出最终结果。数据处理装置14可为计算机，该预设程序可为安装于计算机上的软件。

下面通过图4和图5对上述计算原理作进一步解释说明。

如图4所示，水轮发电机组处于停机状态时，推力瓦31顶面315与镜板20底面直接接触，距离为零，此时距离检测装置11的感应端113与镜板20底面的距离为L₀。如图5所示，水轮发电机组从停机状态切换到运行状态这一过程中，推力瓦31和镜板20将相互远离地运动，稳定运行时，距离检测装置11的感应端113与镜板20底面的距离为L₁。L₁-L₀即表示推力瓦31和镜板20相互远离运动产生的距离。

除此之外，由于运行受压、温度变化等因素，推力瓦31在水轮发电机组运行时相比于停机时，或在运行状态中工况改变时，常常会产生形变。其中，推力瓦31会在推力轴承30轴向方向(也就是竖直方向)的形变量S(拉伸时记为正数，压缩时记为负数)会对油膜厚度产生影响。具体地，当推力瓦31产生拉伸形变时，导致推力瓦31顶面315向上延伸一段距离(参考图5虚线部分)，这使得其更加接近镜板20，使得其与镜板20底面的间距缩小(缩小量为S)，即油膜厚度减小。当推力瓦31产生压缩形变时，导致推力瓦31顶面315向下缩进一段距离，这使得其更加远离镜板20，使得其与镜板20底面的间距增大(加大量为-S))，即油膜厚度增大。总之，推力瓦31两种形变的状况，均可以采用f＝L₁-L₀-S计算出最终准确的油膜厚度。

每个推力瓦31上可设计多个测点，每个测点处布置一个距离检测装置11和一个应变检测装置12。这样可由数据处理装置14最终输出多个测点的油膜厚度值。

本发明的发明人经过大量实践，发现真实的水轮发电机组在运行时，推力瓦31将产生足以影响油膜厚度测量结果的形变。并且，基于这一认识，在测量油膜厚度时，创造性地将推力瓦31会产生形变这一现实因素考虑进去，使得所获取的油膜厚度值更加准确。这就使得该油膜厚度监测装置10能够在水电站现场对推力轴承30的油膜厚度进行准确地实时监测，而不仅仅适用于理论计算和模拟试验。

如图1和图3所示，推力瓦31为由顶面315、底面、两个同心的圆弧段面(包括长圆弧端面311和短圆弧端面312)和两个直线端面(包括第一直线端面313和第二直线端面314)构成的扇环状。距离检测装置11的数量为多个，分别用于安装在第一直线端面313和第二直线端面314上，以形成多个测点。应变检测装置12的数量为多个，且与多个距离检测装置11一一匹配地设置在其邻近位置。换言之，推力瓦31的两个直线端面各设置多个测点，每个测点处设置一个距离检测装置11和一个应变检测装置12。每个测点处所检测的其正上方的直线端面顶边一点的油膜厚度。

此外，在水轮发电机组处于运行状态时，常常利用管路输送润滑油，使润滑油从第一直线端面313顶边处进入推力瓦31顶面315与镜板20底面之间，再从第二直线端面314顶边处流出。即第一直线端面313顶边构成进油边，第二直线端面314顶边构成出油边。由于进油边和出油边的油膜厚度相对其他位置更能表征油膜整体状况，故仅在第一直线端面313和第二直线端面314上布置测点可满足基本要求。更具体地，可使第一直线端面313上的多个距离检测装置11沿第一直线端面313的长度方向排列，使第二直线端面314上的多个距离检测装置11沿第二直线端面314的长度方向排列，以获取两排测点的监测数值，利于后续分析。

图6是推力瓦31顶面315各点油膜厚度的计算原理图。

如图6所示，在一些实施例中，油膜厚度检测装置可根据第一直线端面313的各测点的数据，计算出第一直线端面313顶边任意点的油膜厚度。具体地，数据处理装置14配置成根据在第一直线端面313的每个测点所测算的油膜厚度f_1i，每个测点到短圆弧端面312的径向距离r_1i，和第一直线端面313上的测点总数m，通过以下公式计算第一直线端面313顶边距短圆弧端面312的径向距离为r的点(A点)的油膜厚度f_1r。可取第一直线端面313顶边的任一点为A点，所以r的取值范围为0≤r≤R(R为第一直线端面313的长度)。

同理，如图6所示，油膜厚度检测装置可根据第二直线端面314的各测点的数据，计算出第二直线端面314顶边任意点的油膜厚度。具体地，数据处理装置14配置成根据在第二直线端面314的每个测点所测算的油膜厚度f_2j，每个测点到短圆弧端面312的径向距离r_2j，和第二直线端面314上的测点总数n，通过以下公式计算第二直线端面314顶边距短圆弧端面312的径向距离为r的点(B点)的油膜厚度f_2r。可取第二直线端面314顶边的任一点为B点，所以r的取值范围为0≤r≤R(R为第二直线端面314的长度，其等于第一直线端面的长度)。

如图6所示，进一步地，可根据前文计算的第一直线端面313和第二直线端面314顶边任意点的油膜厚度，计算出推力瓦31的顶面315上任意点的油膜厚度。

具体地，数据处理装置14配置成根据以下公式计算推力瓦31顶面315的距短圆弧端面312径向距离为r的点(X点)的油膜厚度f_x：

式中，f_1r和f_2r分别为第一直线端面313和第二直线端面314的顶边距短圆弧端面312径向距离为r的点的油膜厚度，其通过前文公式可以计算得出，在此不再展开。θ为该点与短圆弧端面312圆心的连线(XC)与第一直线端面313的夹角(即角XCA)，α为短圆弧端面312的圆心角(即角ACB)。

本发明实施例中，仅需在推力瓦31的第一直线端面313和第二直线端面314上各布置多个距离检测装置11和应变检测装置12，即可精确计算出两个直线端面顶边任一点的油膜厚度，然后进一步据此计算出推力瓦31顶面315上任一点的油膜厚度，以获得油膜的整体厚度分布情况，这非常利于对推力轴承30的健康状况进行全面、准确地分析。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种水轮发电机组推力轴承的油膜厚度监测装置，所述水轮发电机组包括镜板，所述推力轴承包括多个推力瓦以用于向上支撑所述镜板，所述油膜厚度监测装置包括：

距离检测装置，安装于所述推力瓦，配置成检测所述距离检测装置感应端与所述镜板底面在所述水轮发电机组处于停机和运行两种状态时的距离L₀和L₁；

应变检测装置，安装于所述推力瓦，配置成检测在所述水轮发电机组从停机状态切换至运行状态过程中，或在运行状态中工况改变时，所述推力瓦在所述推力轴承轴向方向的形变量S，且定义S在所述推力瓦产生拉伸形变时为正值，产生压缩形变时为负值；

数据采集和调理装置，与所述距离检测装置和所述应变检测装置以预设方式通信，以采集、调理其检测信号，形成检测数据；和

数据处理装置，与所述数据采集和调理装置以预设方式通信，以接收所述检测数据，并根据以下公式计算出所述推力瓦顶面与所述镜板底面之间的油膜厚度f，

f＝L₁-L₀-S。

2.根据权利要求1所述的油膜厚度监测装置，其中

所述推力瓦为由顶面、底面、同心的长圆弧端面和短圆弧端面、第一直线端面和第二直线端面构成的扇环状；

所述距离检测装置的数量为多个，分别用于安装在所述第一直线端面和所述第二直线端面上，以形成多个测点；且

所述应变检测装置的数量为多个，且与多个所述距离检测装置一一匹配地设置在其邻近位置。

3.根据权利要求2所述的油膜厚度监测装置，其中

所述第一直线端面上的多个所述距离检测装置沿所述第一直线端面的长度方向排列；且

所述第二直线端面上的多个所述距离检测装置沿所述第二直线端面的长度方向排列。

4.根据权利要求2所述的油膜厚度监测装置，其中

所述数据处理装置配置成根据在所述第一直线端面的每个所述测点所测算的油膜厚度f_1i，每个所述测点到所述短圆弧端面的径向距离r_1i，和所述第一直线端面上的所述测点总数m，通过以下公式计算所述第一直线端面顶边距所述短圆弧端面的径向距离为r的点的油膜厚度f_1r，

5.根据权利要求4所述的油膜厚度监测装置，其中

所述数据处理装置配置成根据在所述第二直线端面的每个所述测点所测算的油膜厚度f_2j，每个所述测点到所述短圆弧端面的径向距离r_2j，和所述第二直线端面上的所述测点总数n，通过以下公式计算所述第二直线端面顶边距所述短圆弧端面的径向距离为r的点的油膜厚度f_2r：

6.根据权利要求5所述的油膜厚度监测装置，其中

所述数据处理装置配置成根据以下公式计算所述推力瓦顶面的距所述短圆弧端面径向距离为r的点的油膜厚度f_x：

式中，f_1r和f_2r分别为所述第一直线端面和所述第二直线端面的顶边距所述短圆弧端面径向距离为r的点的油膜厚度，θ为该点与所述短圆弧端面圆心的连线与所述第一直线端面的夹角，α为所述短圆弧端面的圆心角。

7.根据权利要求2所述的油膜厚度监测装置，其中

所述水轮发电机组配置成使润滑油从所述第一直线端面顶边处进入所述推力瓦顶面与所述镜板底面之间，再从所述第二直线端面顶边处流出。

8.根据权利要求1所述的油膜厚度监测装置，其中

所述距离检测装置为电涡流传感器。

9.根据权利要求1所述的油膜厚度监测装置，其中

所述应变检测装置包括应变片，其用于贴附在所述推力瓦表面。

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